Forscher der ETH Zürich haben einen mechanischen Resonator hergestellt, in dem
Um die Quantenmechanik zu erklären, hat der ÖsterreicherPhysiker Erwin Schrödinger hat sich ein Gedankenexperiment ausgedacht. Er legte die Katze in eine verschlossene Metallbox mit einer radioaktiven Substanz, einem Geigerzähler und einer Flasche mit Blausäure. In einem bestimmten Zeitraum kann ein Atom eines Stoffes mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit zerfallen. Dies aktiviert den Geigerzähler und löst einen Mechanismus aus, der die Giftflasche zerschmettert. Infolgedessen stirbt die Katze.
Weil der äußere Beobachter es nicht weißOb das Atom zerfallen ist, weiß er auch nicht, ob die Katze lebt oder tot ist. Laut Quantenmechanik sollte sich die Katze in diesem Moment in einem Überlagerungszustand befinden: Sie ist sowohl lebendig als auch tot. Bisher haben Wissenschaftler dieses Experiment auf der Mikroebene nachgeahmt: Sie verwendeten Atome oder Moleküle in Zuständen quantenmechanischer Überlagerung.
In ihrer Studie erstellten Schweizer Physikerein System, in dem Schwingungen in einem Kristall wie eine Katze wirken und eine Schicht aus supraleitendem piezoelektrischem Material wie eine Kapsel mit Gift wirkt. Es erzeugt ein elektrisches Feld, wenn der Kristall seine Form ändert, wenn er vibriert. In einem solchen System lässt sich die Überlagerung eines Qubits auf den Kristall übertragen, wodurch in ihm gleichzeitig Schwingungen in zwei Richtungen beobachtet werden.
Versuchsschema:Schwingungen innerhalb des Kristalls und des supraleitenden Substrats imitieren eine Katze und ein Atom einer radioaktiven Substanz, die an eine Giftkapsel aus Schrödingers Gedankenexperiment gebunden ist. Bild: Yiwen Chu, ETH Zürich
Damit die Schwingungszustände übereinstimmenBei „Schrödingers Katze“ sei es wichtig, dass sie makroskopisch unterscheidbar seien, erklären Wissenschaftler. Das bedeutet, dass der Abstand zwischen den Auf- und Ab-Zuständen größer sein muss als etwaige thermische oder Quantenfluktuationen der Atome im Kristall.
Die Forscher vermaßen die räumlicheTrennung zweier Zustände mit einem supraleitenden Qubit. Es stellte sich heraus, dass es groß genug war, um die Zustände klar zu unterscheiden. „Indem wir die beiden Schwingungszustände des Kristalls überlagert haben, haben wir tatsächlich eine 16-μg-Schrödinger-Katze geschaffen“, sagt Ewen Chu, Professor an der ETH Zürich.
Die Forscher stellen fest, dass die ErgebnisseExperimente haben nicht nur theoretische, sondern auch praktische Bedeutung. Beispielsweise können in Qubits gespeicherte Quanteninformationen zuverlässiger gemacht werden, indem Schrödingers Katzenzustände verwendet werden, die aus einer großen Anzahl von Atomen in einem Kristall bestehen, anstatt sich wie bisher auf einzelne Atome oder Ionen zu verlassen. Darüber hinaus kann die Empfindlichkeit massiver Objekte in Überlagerungszuständen gegenüber externem Rauschen genutzt werden, um winzige Störungen wie Gravitationswellen oder Teilchen der Dunklen Materie genau zu messen.
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Auf dem Cover: eine künstlerische Illustration von Schrödingers Katze. Bild: Yiwen Chu, ETH Zürich